Silikon əsaslı güc yarımkeçiriciləri ilə müqayisədə SiC (silisium karbid) güclü yarımkeçiricilər keçid tezliyi, itkisi, istilik yayılması, miniatürləşdirmə və s.
Tesla tərəfindən silisium karbid çeviricilərinin geniş miqyaslı istehsalı ilə daha çox şirkət silisium karbid məhsulları istehsal etməyə başladı.
SiC o qədər “möcüzədir” ki, yer üzündə necə hazırlanıb?İndi hansı tətbiqlər var?Görək!
01 ☆ SiC-nin doğulması
Digər enerji yarımkeçiriciləri kimi, SiC-MOSFET sənaye zənciri də daxildiruzun kristal – substrat – epitaksiya – dizayn – istehsal – qablaşdırma əlaqəsi.
Uzun kristal
Uzun kristal əlaqə zamanı, tək kristal silisium tərəfindən istifadə edilən Tira metodunun hazırlanmasından fərqli olaraq, silisium karbid əsasən fiziki qaz nəqli metodunu (PVT, həmçinin təkmilləşdirilmiş Lly və ya toxum kristal sublimasiya üsulu kimi tanınır), yüksək temperaturda kimyəvi qaz çökmə metodunu (HTCVD) qəbul edir. ) əlavələr.
☆ Əsas addım
1. Karbonlu bərk xammal;
2. Qızdırıldıqdan sonra karbid bərki qaza çevrilir;
3. Qazın toxum kristalının səthinə keçməsi;
4. Toxum kristalının səthində qaz böyüyərək kristala çevrilir.
Şəkil mənbəyi: "PVT böyüməsi silisium karbidinin sökülməsi üçün texniki nöqtə"
Fərqli sənətkarlıq silikon baza ilə müqayisədə iki böyük çatışmazlığa səbəb oldu:
Birincisi, istehsal çətindir və məhsul azdır.Karbon əsaslı qaz fazasının temperaturu 2300 ° C-dən yuxarı qalxır və təzyiq 350MPa-dır.Bütün qaranlıq qutu həyata keçirilir və çirkləri qarışdırmaq asandır.Verim silikon bazadan daha aşağıdır.Diametri nə qədər böyükdürsə, məhsuldarlıq da bir o qədər aşağı olur.
İkincisi yavaş böyümədir.PVT metodunun idarə edilməsi çox yavaşdır, sürət təxminən 0,3-0,5 mm/saatdır və 7 gündə 2 sm böyüyə bilər.Maksimum yalnız 3-5 sm böyüyə bilər və kristal külçənin diametri əsasən 4 düym və 6 düymdür.
Silikon əsaslı 72H, diametri əsasən 6 düym və 12 düym üçün 8 düymlük yeni istehsal gücü ilə 2-3 m hündürlüyə qədər böyüyə bilər.Buna görə də, silisium karbidinə tez-tez kristal külçə deyilir və silisium kristal çubuq olur.
Karbid silisium kristal külçələri
Substrat
Uzun kristal tamamlandıqdan sonra substratın istehsal prosesinə daxil olur.
Məqsədli kəsmə, üyütmə (kobud üyütmə, incə üyütmə), cilalama (mexaniki cilalama), ultra dəqiq cilalama (kimyəvi mexaniki cilalama) sonra silisium karbid substratı alınır.
Substrat əsasən oynayırfiziki dəstəyin, istilik keçiriciliyinin və keçiriciliyin rolu.Emalın çətinliyi ondan ibarətdir ki, silisium karbid materialı yüksək, xırtıldayan və kimyəvi xassələrdə sabitdir.Buna görə də, ənənəvi silisium əsaslı emal üsulları silisium karbid substratı üçün uyğun deyil.
Kəsmə effektinin keyfiyyəti silisium karbid məmulatlarının performansına və istifadə səmərəliliyinə (qiymətinə) birbaşa təsir edir, ona görə də kiçik, vahid qalınlıq və aşağı kəsmə tələb olunur.
Hal hazırda,4 düym və 6 düym əsasən çox xəttli kəsici avadanlıqdan istifadə edir,silikon kristallarının qalınlığı 1 mm-dən çox olmayan nazik dilimlərə kəsilməsi.
Çoxxətli kəsmənin sxematik diaqramı
Gələcəkdə karbonlaşmış silikon vaflilərin ölçüsünün artması ilə materialdan istifadə tələblərinin artması artacaq və lazer dilimləmə və soyuq ayırma kimi texnologiyalar da tədricən tətbiq olunacaq.
2018-ci ildə Infineon, soyuq krekinq kimi tanınan innovativ prosesi inkişaf etdirən Siltectra GmbH-ni aldı.
Ənənəvi çox telli kəsmə prosesində 1/4 itki ilə müqayisədə,soyuq krekinq prosesi yalnız silisium karbid materialının 1/8 hissəsini itirdi.
Uzatma
Silisium karbid materialı birbaşa substratda güc qurğuları edə bilmədiyi üçün, uzatma qatında müxtəlif qurğular tələb olunur.
Buna görə də, substratın istehsalı başa çatdıqdan sonra, uzatma prosesi ilə substratda xüsusi bir kristal nazik film yetişdirilir.
Hal-hazırda, əsasən kimyəvi qaz çökmə üsulu (CVD) prosesindən istifadə olunur.
Dizayn
Substrat hazırlandıqdan sonra məhsulun dizayn mərhələsinə daxil olur.
MOSFET üçün dizayn prosesinin diqqət mərkəzində yivin dizaynı,bir tərəfdən patent pozuntusunun qarşısını almaq üçün(Infineon, Rohm, ST və s., patent tərtibatı var) və digər tərəfdənistehsal qabiliyyətini və istehsal xərclərini qarşılamaq.
Gofret istehsalı
Məhsulun dizaynı tamamlandıqdan sonra vafli istehsal mərhələsinə daxil olur,və proses, əsasən, aşağıdakı 5 addımdan ibarət olan silisiumun prosesinə təxminən oxşardır.
☆Addım 1: Maskanı inyeksiya edin
Silikon oksid (SiO2) filminin təbəqəsi hazırlanır, fotorezist örtülür, homogenləşmə, ekspozisiya, inkişaf və s. addımlar vasitəsilə fotorezist nümunəsi formalaşır və aşındırma prosesi ilə fiqur oksid filminə ötürülür.
☆Addım 2: İon implantasiyası
Maskalı silisium karbid vafli ion implantatoruna yerləşdirilir, burada alüminium ionları P-tipli dopinq zonası yaratmaq üçün yeridilir və implantasiya edilmiş alüminium ionlarını aktivləşdirmək üçün tavlanır.
Oksid filmi çıxarılır, azot ionları drenajın və mənbəyin N tipli keçirici bölgəsini yaratmaq üçün P tipli dopinq bölgəsinin xüsusi bölgəsinə yeridilir və implantasiya edilmiş azot ionları onları aktivləşdirmək üçün tavlanır.
☆Addım 3: Şəbəkəni düzəldin
Şəbəkəni düzəldin.Mənbə və drenaj arasındakı ərazidə qapı oksidi təbəqəsi yüksək temperaturda oksidləşmə prosesi ilə hazırlanır və qapının idarəedici strukturunu yaratmaq üçün qapı elektrod təbəqəsi yatırılır.
☆Addım 4: Passivasiya qatlarının hazırlanması
Passivasiya təbəqəsi hazırlanır.Elektrodlararası parçalanmanın qarşısını almaq üçün yaxşı izolyasiya xüsusiyyətlərinə malik bir passivasiya təbəqəsi qoyun.
☆Addım 5: Drenaj mənbəyi elektrodları hazırlayın
Drenaj və mənbə edin.Pasivasiya təbəqəsi perforasiya edilir və drenaj və mənbə yaratmaq üçün metal püskürür.
Foto Mənbə: Xinxi Capital
Proses səviyyəsi ilə silisium əsaslı arasında az fərq olsa da, silisium karbid materiallarının xüsusiyyətlərinə görə,ion implantasiyası və tavlama yüksək temperatur mühitində aparılmalıdır(1600 ° C-ə qədər), yüksək temperatur materialın özünün qəfəs quruluşuna təsir edəcək və çətinlik də məhsula təsir edəcəkdir.
Bundan əlavə, MOSFET komponentləri üçün,qapı oksigeninin keyfiyyəti birbaşa kanalın hərəkətliliyinə və qapının etibarlılığına təsir göstərir, çünki silisium karbid materialında iki növ silisium və karbon atomu var.
Buna görə də, xüsusi bir qapı orta artım metodu tələb olunur (başqa bir məqam silisium karbid təbəqəsinin şəffaf olması və fotolitoqrafiya mərhələsində mövqeyin uyğunlaşdırılmasının silisium üçün çətin olmasıdır).
Gofret istehsalı başa çatdıqdan sonra fərdi çip çılpaq bir çip şəklində kəsilir və məqsədə uyğun olaraq qablaşdırıla bilər.Diskret cihazlar üçün ümumi proses TO paketidir.
TO-247 paketində 650V CoolSiC™ MOSFETlər
Şəkil: Infineon
Avtomobil sahəsində yüksək güc və istilik yayılması tələbləri var və bəzən birbaşa körpü sxemləri (yarım körpü və ya tam körpü və ya birbaşa diodlarla paketlənmiş) qurmaq lazımdır.
Buna görə də, çox vaxt birbaşa modullara və ya sistemlərə qablaşdırılır.Tək modulda qablaşdırılan çiplərin sayına görə ümumi forma 1-də 1 (BorgWarner), 6-nın 1-də (Infineon) və s.-dir və bəzi şirkətlər tək borulu paralel sxemdən istifadə edirlər.
Borgwarner Viper
İki tərəfli su soyutma və SiC-MOSFET-i dəstəkləyir
Infineon CoolSiC™ MOSFET modulları
Silikondan fərqli olaraq,silisium karbid modulları daha yüksək temperaturda, təxminən 200 ° C-də işləyir.
Ənənəvi yumşaq lehim temperaturu ərimə nöqtəsi temperaturu aşağıdır, temperatur tələblərinə cavab verə bilməz.Buna görə də, silisium karbid modulları tez-tez aşağı temperaturda gümüşün sinterləmə qaynaq prosesindən istifadə edirlər.
Modul tamamlandıqdan sonra hissələr sisteminə tətbiq oluna bilər.
Tesla Model3 motor nəzarətçisi
Çılpaq çip ST-dən, özü tərəfindən hazırlanmış paketdən və elektrik ötürücü sistemindən gəlir
☆02 SiC-nin tətbiqi vəziyyəti?
Avtomobil sahəsində, güc qurğuları əsasən istifadə olunurDCDC, OBC, motor çeviriciləri, elektrik kondisioner çeviriciləri, simsiz şarj və digər hissələrAC/DC sürətli çevrilməsini tələb edən (DCDC əsasən sürətli keçid kimi çıxış edir).
Şəkil: BorgWarner
Silikon əsaslı materiallarla müqayisədə, SIC materialları daha yüksəkdirkritik uçqun dağılma sahəsinin gücü(3×106V/sm),daha yaxşı istilik keçiriciliyi(49W/mK) vədaha geniş bant boşluğu(3,26eV).
Bant boşluğu nə qədər geniş olsa, sızma cərəyanı bir o qədər kiçik olar və səmərəlilik bir o qədər yüksək olar.İstilik keçiriciliyi nə qədər yaxşı olarsa, cərəyan sıxlığı bir o qədər yüksək olar.Kritik uçqun qırılma sahəsi nə qədər güclü olarsa, cihazın gərginliyə qarşı müqaviməti yaxşılaşdırıla bilər.
Buna görə də, bortda yüksək gərginlik sahəsində, mövcud silisium əsaslı IGBT və FRD birləşməsini əvəz etmək üçün silikon karbid materialları ilə hazırlanmış MOSFET-lər və SBD güc və səmərəliliyi effektiv şəkildə artıra bilər,kommutasiya itkilərini azaltmaq üçün xüsusilə yüksək tezlikli tətbiq ssenarilərində.
Hal-hazırda, OBC və DCDC-dən sonra motor çeviricilərində geniş miqyaslı tətbiqlərə nail olmaq ehtimalı yüksəkdir.
800V gərginlikli platforma
800V gərginlik platformasında yüksək tezlikliliyin üstünlüyü müəssisələri SiC-MOSFET həllini seçməyə daha çox meylli edir.Buna görə də, mövcud 800V elektron idarəetmə planlamasının çoxu SiC-MOSFET.
Platforma səviyyəsində planlaşdırma daxildirmüasir E-GMP, GM Otenergy – pikap sahəsi, Porsche PPE və Tesla EPA.SiC-MOSFET-i açıq şəkildə daşımayan Porsche PPE platforma modelləri istisna olmaqla (ilk model silisium əsaslı IGBT-dir), digər avtomobil platformaları SiC-MOSFET sxemlərini qəbul edir.
Universal Ultra enerji platforması
800V model planlaması daha çoxdur,Great Wall Salon markası Jiagirong, Beiqi pole Fox S HI versiyası, ideal avtomobil S01 və W01, Xiaopeng G9, BMW NK1, Changan Avita E11 platformasını daşıyacağını ifadə edən 800V platforma əlavə olaraq BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, zero Run, FAW Red Flag, Volkswagen'in də 800V texnologiyasında araşdırmalar apardığını söylədi.
Tier1 təchizatçıları tərəfindən əldə edilən 800V sifarişlərin vəziyyətindən,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics və Huichuanbütün elan edilmiş 800V elektrik sürücüsü sifarişləri.
400V gərginlikli platforma
400V gərginlikli platformada SiC-MOSFET əsasən yüksək güc və güc sıxlığı və yüksək səmərəliliyi nəzərə alır.
Hal-hazırda kütləvi istehsal edilən Tesla Model 3\Y mühərriki kimi, BYD Hanhou motorunun pik gücü təxminən 200Kw-dır (Tesla 202Kw, 194Kw, 220Kw, BYD 180Kw), NIO da ET7-dən başlayaraq SiC-MOSFET məhsullarından istifadə edəcək. və daha sonra sadalanacaq ET5.Maksimum güc 240Kw (ET5 210Kw) təşkil edir.
Bundan əlavə, yüksək səmərəlilik baxımından bəzi müəssisələr SiC-MOSFET məhsullarının köməkçi su basmasının mümkünlüyünü də araşdırırlar.
Göndərmə vaxtı: 08 iyul 2023-cü il